轴向磁轴承及其转子动力学研究

摘要

动力磁悬浮轴承(powermagneticbearing，P-MB)与传统磁悬浮轴承存在本质上的不同，动力磁悬浮轴承不仅可产生支承转子的径向力悬浮，而且还可产生驱动转子所需的扭矩，因此动力磁悬浮轴承可集电动机和轴承两种功能于一体。 本文以动力磁悬浮轴承的轴向磁轴承为研究重点，概述轴向磁轴承的工作原理和系统组成，推导出轴向磁轴承的数学模型，建立了轴向磁轴承的控制系统。应用有限元法对轴向磁轴承的电磁场、涡流损耗以及采用不同材料的转子悬浮力做了较为详细的分析，在此分析基础上采用简化磁路法设计出轴向磁轴承结构。 推导出轴向磁轴承--转子系统的运动方程，建立了轴向磁轴承控制系统的闭环传递函数；应用MATLAB软件对所设计的轴向磁轴承控制系统进行仿真，仿真结果表明采用PID控制可实现轴向磁轴承的稳定悬浮。 分析了数字控制系统的算法，建立基于DSP的轴向磁轴承数字控制系统。提出将模糊控制与PID控制相结合的模糊自整定PID控制算法，并将其应用于轴向磁轴承控制系统中。 基于有限元求解转子固有频率理论，应用ANSYS软件对转子模态进行分析，得出了转子的各阶固有频率和临界转速，分析了各阶临界转速时转子的变形状况，建立无阻尼转子通过临界转速时所需的最小驱动力矩数模表达式，对动力磁轴承转子跨越临界转速具有一定的指导意义。

目录

文摘

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绪论

第一章轴向磁轴承磁场分析及结构设计

1.1轴向磁轴承工作原理与系统组成

1.1.1轴向磁悬浮轴承工作原理

1.1.2轴向磁轴承系统组成

1.2电磁场的计算方法

1.2.1磁路法

1.2.2有限元法

1.3轴向磁悬浮轴承磁场的有限元分析

1.3.1轴向磁轴承磁场的有限元分析

1.3.2轴向磁轴承定子与转子间气隙的有限元分析

1.3.3定子线窗尺寸有限元分析

1.3.5轴结构及材料对轴向磁轴承电磁场的影响分析

1.3.6轴向磁轴承发热分析

1.4以磁路理论为基础的轴向磁轴承结构设计

1.4.1工作条件与结构

1.4.2轴向磁悬浮轴承结构设计

本章小结

第二章轴向磁轴承系统分析

2.1轴向磁轴承模型分析

2.1.1轴向磁轴承的运动方程

2.1.2轴向磁轴承在平衡位置的承载能力

2.2轴向磁轴承闭环控制分析

2.2.1一种简单的磁轴承控制设计思路

2.2.2磁轴承闭环控制频域分析

2.2.3轴向磁轴承的刚度和阻尼

2.3轴向磁轴承系统仿真

本章小结

第三章基于DSP的轴向磁轴承数字控制系统

3.1DSP的硬件特点及在控制上的应用

3.2基于DSP的轴向磁轴承数字控制系统

3.3数字控制系统控制算法研究

3.3.1PID控制算法

3.3.2模糊自整定PID控制算法

本章小结

第四章动力磁悬浮轴承转子动力学

4.1转子动力学基础知识

4.1.1转子动力学的发展及应用

4.1.2转子动力学的研究目的和内容

4.1.3转子动力学的计算分析方法

4 2动力磁悬浮轴承转子动力学模型的建立

4.2.1建立直角坐标系

4.2.2动力磁悬浮轴承转子动力学模型

本章小结

第五章轴向磁轴承转子临界转速分析

5.1有限元法基本概念与理论

5.1.1有限元的基本概念

5.1.2理论概述

5.1.3三维有限元基本理论

5.2模态分析

5.2.1建模

5.2.2结果分析

5.3转子振动理论分析

5.3.1临界转速时轴的变形位移

5.3.2无阻尼转子通过临界转速时的最小驱动力矩

本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢